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第五章井眼轨道设计与轨迹控制1．井眼轨迹的基本参数有哪些？为什么将它们称为基本参数？08答：井眼轨迹基本参数包括：井深、井斜角、井斜方位角。
这三个参数足够表明井眼中一个测点的具体位置，所以将他们称为基本参数。
2．方位与方向的区别何在?请举例说明。
井斜方位角有哪两种表示方法?二者之间如何换算?答：方位都在某个水平面上，而方向则是在三维空间内(当然也可能在水平面上）.方位角表示方法:真方位角、象限角.3．水平投影长度与水平位移有何区别？视平移与水平位移有何区别?答：水平投影长度是指井眼轨迹上某点至井口的长度在水平面上的投影，即井深在水平面上的投影长度。
水平位移是指轨迹上某点至井口所在铅垂线的距离，或指轨迹上某点至井口的距离在水平面上的投影。
在实钻井眼轨迹上，二者有明显区别,水平长度一般为曲线段，而水平位移为直线段.视平移是水平位移在设计方位上的投影长度.4．狗腿角、狗腿度、狗腿严重度三者的概念有何不同？答：狗腿角是指测段上、下二测点处的井眼方向线之间的夹角（注意是在空间的夹角）。
狗腿严重度是指井眼曲率,是井眼轨迹曲线的曲率.5．垂直投影图与垂直剖面图有何区别？答：垂直投影图相当于机械制造图中的侧视图，即将井眼轨迹投影到铅垂平面上；垂直剖面图是经过井眼轨迹上的每一点做铅垂线所组成的曲面,将此曲面展开就是垂直剖面图。
6．为什么要规定一个测段内方位角变化的绝对值不得超过180 ？实际资料中如果超过了怎么办?答：7．测斜计算，对一个测段来说,要计算那些参数？对一个测点来说，需要计算哪些参数?测段计算与测点计算有什么关系?答：测斜时，对一个测段来说，需要计算的参数有五个：垂增、平增、N坐标增量、E坐标增量和井眼曲率；对一个测点来说，需要计算的参数有七个：五个直角坐标值（垂深、水平长度、N坐标、E坐标、视平移）和两个极坐标（水平位移、平移方位角）。
轨迹计算时，必须首先算出每个测段的坐标增量,然后才能求得测点的坐标值。
第一节钻井液及其流变特性简介钻井液体系¾牛顿型液体¾塑性型液体（最常见）¾假塑型液体¾膨胀型液体（极少遇到）大多数钻井液属于塑性流型，用淀粉类处理剂配制的钻井液有时呈膨胀流型。
第二节钻进过程基本关系1、钻压对钻速的影响钻压与钻速的关系曲线)(M W v m −∝式中：V m ：为钻速(m/h)；W：为钻压（KN）；M：门限钻压（KN），即图中AB线在钻压轴上的截距，相当于牙齿开始压入地层时的钻压，其值的大小主要取决于岩石性质，并具有较强的地区性。
2、转速对钻速的影响转速与钻速的关系曲线λnv m ∝式中：λ称为转速指数，一般小于1，数值大小主要与岩石性质有关。
n为转速，单位为r/min。
为压差影响系数，定义为实际钻速与本节小结1、掌握：影响钻速的主要因素及其影响规律；门限钻压、牙齿磨损量的概念，修正杨格钻速方程反映的各因素对钻速的影响规律。
2、熟悉：钻井液的功用、组成及分类；钻井液的流动特点。
3、了解：钻井液常用流变模式及其适用的钻井液体系；钻井液流变参数的测量仪器，目前已有的钻速方程及其特点。
作业：第171页第1题。
第三节钻压、转速确定目前在实际工作中，钻头的最优牙齿磨损量（工作时间）、钻压、转速一般都根据钻头生产厂家推荐值，并结合邻近井或邻近区块的经验确定。
教材第151页至152页表6-1到6-4给出了一些钻头的推荐值，实际工作中可查钻头使用手册。
印刷错误纠正：表6-1：第3列第2行，“钻压/kN”应为“钻压（kN/mm）”。
表6-2：第4列第2行，“按直径估算/kN”应为“按直径估算（kN/in）”。
表6-3：第2列第2行，“钻压/kN”应为“钻压（kN/in）”。
第四节钻进循环流动压耗计算3、工作状态¾额定泵压工作状态：¾额定功率工作状态：4、选用提示选缸套时，应选择额定排量等于或略大于需要排量的缸套，这样才能充分发挥泵的能力。
第五章 钻柱
第一节 钻柱的工作状态及受力分析
一、工作状态
起下钻时：
钻柱处于悬持状态－－受拉伸(自重)，直线稳定状态
正常钻进：
Ｐ＜Ｐ1 直线稳定
Ｐ1≤Ｐ＜Ｐ2 一次弯曲
Ｐ2≤Ｐ＜Ｐ3 二次弯曲
钻柱旋转→扭矩
离心力→下部弯曲半波缩短
上部弯曲半波增长（上部受拉）
结论：变节距的空间螺旋弯曲曲线形状
钻柱在井内可能有4种旋转形式：(P96)
a.自转：
b.公转：沿井壁滑动。
c.自转和公转的结合：沿井壁滚动。
d.整个钻柱作无规则的摆动：
二、钻柱在井下的受力分析
(1) 轴向拉应力与压应力
拉应力：由钻柱自重产生，井口最大，起钻和卡钻时产生附加拉力。
压应力：由钻压产生，井底最大。
应力分布(P97，图3-2) 轴向力零点：钻柱上即不受拉也不受压的一点。
中和点：该点以下钻柱在液体中的重量等于钻压。
(2) 剪应力(扭矩)：旋转钻柱和钻头所需的力，井口最大。
(3) 弯曲应力：钻柱弯曲并自转时产生交变的拉压应力。
井眼弯曲→钻柱弯曲 1
32
(4) 纵向、横向、扭转振动
(5) 其他外力：起下钻动载（惯性）,井壁磨擦力，钻柱旋转时因离心力引起的弯曲。
综合以上分析：工况不同，应力作用不同，需根据实际工况确定应力状态。
(1) 钻进时钻柱下部：轴向压力、扭矩、弯曲力矩、交变应力；
(2) 钻进和起下钻时井口钻柱：拉力、扭力最大＋动载
(3) 钻压、地层岩性变化引起中和点位移产生交变载荷。
第二节 钻井过程中各种应力的计算
一、轴向应力计算
（一）上部拉应力计算
1、钻柱在泥浆中空悬
浮力：αρ⋅⋅⋅⋅=F L g B m
α——考虑钻杆接头和加厚影响的重量修正系数，1.05～1.10 钻柱在空气中的重力：αρ⋅⋅⋅⋅=F L g Q s a
井口拉力：B Q Q a -=
a f Q K Q ⋅=
浮力系数：)1(s m f K ρρ-=
ρs －－钢的密度，7.85 g/cm 3
拉应力：F
Q t =σ 注意计算井口以下任一截面上的拉力不能直接用浮力系数法计算。
2、钻进时
F
P B Q a t --=σ
3、中和点位置的确定
f
s n q q P L -= 中和点截面上的轴向力：
)()(n m n m n L L q L L F g Q -⋅=-⋅⋅⋅⋅=αρ
（二）钻柱下部压应力的计算
垂直状态：F
B P c +=σ 下部钻柱弯曲：F
P c =σ
二、钻柱剪应力计算
1、扭矩： n
N N M s b )(9549+⋅= N b ,N s ——分别为旋转钻头破碎岩石和钻柱空转所需的功率，Kw
n ——转速，rpm
剪应力：n
W M =τ MPa 抗扭截面系数：⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛
-⋅=443116c i c n d d d W π dc ，di ——钻柱的内径和外径，cm 。
2、钻柱最大扭矩：
动能：p s o J L J T ⋅⋅=⋅=ρω22
变形位能：p
GJ L M M U 2212==ϕ
最大扭矩：8max 10-⨯⋅=G J M s p ρω
极惯性矩：⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛-=444132c i c p d d d J π 三、钻柱弯曲应力计算P105 式（3-30），（3-31）
四、钻柱抗挤计算
1、外挤压力的确定
钻柱内空：g H P m oc ⋅⋅=ρ
钻柱内有部分液体：)(L H g g H P f m oc -⋅⋅-⋅⋅=ρρ
2、钻柱抗挤强度的确定
特点：在轴向拉力作用下，抗挤强度降低。
双轴应力曲线确定（P107）例题：P107
3、安全系数确定
要求安全系数大于1.125。
第三节 钻柱设计
以拉伸计算为主，再考虑钻柱的实际情况给予较核。
一、 钻柱设计的强度条件
以钻柱在泥浆中悬空作为计算条件，要求：
（上部轴向拉力）a t P P ≤（最大允许静拉载荷）
最大允许静拉载荷取决于(1)钻柱材料的屈服强度；(2)钻柱工作的使用条件。
1、钻柱在屈服强度下的抗拉负荷P y
F P s y ⋅⋅=σ1.0 (KN)
F ——钻柱的横截面积，cm 2；
σs ——材料的最小屈服强度，MPa ；
2、钻柱最大工作负荷 P w
y w P P ⋅=9.0
3、最大允许静拉载荷Pa
(1) 安全系数法
考虑起下钻的动载及其他力的影响，大致为1.30。
a
w P P =安全系数 (2) 考虑卡瓦挤毁钻杆的设计系数法
钻杆的挤毁条件：
用式（3-39）计算；可以查表3-2（P111）
以屈服强度和拉伸应力的临界比值作为设计系数，要求： a
w P P =设计系数 (3) 拉力余量法
a w P P -=拉力余量
选取原则： 取三个拉力中最低的值作为最大允许静拉载荷。
二、 设计方法和步骤
1、钻铤柱长度的确定
原则：中和点位于钻铤上。
直井： f c sf
c K q c P L ⋅=
斜井：αcos ⋅⋅=f c sf
c K q C P L
2、钻杆柱长度的确定
(1) 单一钻杆
s
c c f a q q L K P L 1)(⋅-= (2) 复合钻柱
单一钻杆的下入深度有限，为了加深钻柱，采用复合钻柱。
钻铤上第一段钻杆：1
111)(q q L K P L c c f a ⋅-= 第二段：)(1112
222c c f a L q L q q K q P L +-= 第二段：)(111223333c c f a L q L q L q q K q P L ++-=
第四节 钻柱的疲劳破坏
资料调查→→钻柱的破坏为非强度破坏
一、纯疲劳破坏（交变应力引起，事先没任何明显的原因）
交变应力→→晶格滑移或晶体产生微观屈服造成微裂纹
1、钻杆在弯曲井眼中产生周期性的弯曲应力；
100转/分，24小时旋转次数144000转。
2、靠近钻铤（刚度较大）的钻杆容易弯曲。
应力循环次数N
帕兆，力应100350
1010
10468 软钢的σ-Ｎ曲线 拉压拉
压
二、伤痕疲劳破坏(机械伤痕引起）
缺陷→应力集中＋交变应力→缺陷扩大→破坏
伤痕的产生：钻杆钢印，电弧烧伤，大钳、卡瓦伤痕等
三、腐蚀疲劳破坏
腐蚀→腐蚀斑痕→应力集中＋交变应力→强度↓
腐蚀类型：
化学腐蚀（金属与介质产生化学作用）；
电化学腐蚀（金属与电解质溶液产生…）；
氢脆破坏：硫化氢；
四、疲劳破坏的预防措施
（1）钻柱受力较大的部位（上、下）采用厚壁高强度钻杆；
（2）使钻杆常处受拉状态；
（3）装减震器；
（4）检查井口工具（防止造成机械伤痕）；
（5）倒换钻具；
（6）控制腐蚀、涂防腐层；
（7）探伤、修复
五、钻铤疲劳破坏
原因：接头的应力集中。
第五章作业：
1、已知：钻进时需钻压196KN，８"钻铤每米重2.2KN，泥浆密度1.2g/cm3，按钻压占钻铤在泥浆中总重量2／3设计，需使用８"钻铤多少米？
2、一口井钻至4000m时，井内钻柱在空气中的总重量为1200KN，井内泥浆密度为1.32g/cm3，钻进时的钻压为100KN，求钻进时的悬重。
3、已知：井深5000m，井径215.9 mm ,泥浆密度1.2 g/cm3,钻压180 KN ,
拉力余量为200KN,推荐：钻铤用外径158.75mm,内径57.15mm,段重1.35KN/m,根据拉力余量确定的静拉载荷，根据表3-1设计安全的钻柱。
4、钻柱的作用是什么？分析钻柱破坏形式。
